基于Logic Pro軟件的鋼琴即興伴奏教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建

郭美汝

(陜西省銅川職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 師范教育與管理學(xué)院， 陜西, 銅川 727031)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)可以在一定程度上增強(qiáng)教學(xué)空間的開放性、豐富教學(xué)資源，其憑借靈活的教學(xué)方式以及便捷的教學(xué)行為的互動(dòng)性，成為了目前教學(xué)應(yīng)用的主要方式之一[1-2]。其中，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響著整體教學(xué)效果，且數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性對(duì)學(xué)生上課的學(xué)習(xí)體驗(yàn)有著重要的作用[3]。因此如何保證教學(xué)平臺(tái)長期運(yùn)行的穩(wěn)定性、改善數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性具有重要意義。

相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對(duì)其進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[4]采用先進(jìn)泛在技術(shù)，建立泛在化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，根據(jù)泛在實(shí)踐教學(xué)內(nèi)涵，構(gòu)建基于活動(dòng)理論和情境感知的泛在化實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)模型，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)以及傳感器技術(shù)，采集動(dòng)態(tài)生成性數(shù)據(jù)，構(gòu)建泛在實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。文獻(xiàn)[5]采用耦合機(jī)制得到潛變量，該潛變量能同時(shí)捕獲每條軌道的內(nèi)部分布和多條軌道的聯(lián)合分布。將離散性和二元性轉(zhuǎn)化為凸約束，從而得到可微優(yōu)化問題，并與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行平滑協(xié)作，構(gòu)建流行音樂即興伴奏平臺(tái)模型。

基于上述分析，本文在教學(xué)平臺(tái)搭建方面，創(chuàng)設(shè)B/S架構(gòu)下的鋼琴即興伴奏教學(xué)平臺(tái)(下文簡稱教學(xué)平臺(tái))，使用突發(fā)傳輸模式，優(yōu)化教學(xué)資源上傳速度。平臺(tái)涵蓋伴奏信息管理、教學(xué)管理和用戶信息管理板塊，從不同方面服務(wù)于學(xué)生學(xué)習(xí)鋼琴即興伴奏技巧，Logic Pro軟件的應(yīng)用不但能增強(qiáng)和聲理論與實(shí)際伴奏的相融，練習(xí)聽力的同時(shí)，還能夠最大限度優(yōu)化鋼琴即興伴奏教學(xué)質(zhì)量，為學(xué)生鋼琴彈奏的有效練習(xí)提供充分條件。

1 教學(xué)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)鋼琴即興伴奏教學(xué)中，平臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定性較差，平臺(tái)的教學(xué)管理功能應(yīng)用性不強(qiáng)[6]。本文運(yùn)用B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建了一個(gè)鋼琴即興伴奏教學(xué)平臺(tái)，大幅提高鋼琴即興伴奏教學(xué)水平。平臺(tái)涵蓋三層體系架構(gòu)：表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層，平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼琴即興伴奏教學(xué)平臺(tái)體系架構(gòu)

表示層擔(dān)負(fù)可視化界面操作，準(zhǔn)許用戶輸入自身信息并傳遞至后臺(tái)，輸出信息請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，是用戶和平臺(tái)之間交互的橋梁。

業(yè)務(wù)邏輯層是整個(gè)平臺(tái)的關(guān)鍵，可實(shí)現(xiàn)整體平臺(tái)的管理功能。把各個(gè)功能點(diǎn)實(shí)施封裝，構(gòu)成原子功能點(diǎn)，讓表示層調(diào)動(dòng)用戶所需信息。該層包括三個(gè)板塊，分別為伴奏信息管理板塊、教學(xué)管理板塊和用戶信息管理板塊。其中，伴奏信息管理板塊可以對(duì)鋼琴曲目進(jìn)行管理，比如在鋼琴教學(xué)時(shí)增添新的伴奏曲目信息、刪除信息、修改信息、查詢特定信息、播放曲目等[7]。平臺(tái)內(nèi)，新增曲目信息、刪除信息與修改信息只有教師具備操作權(quán)限，查詢曲目是使用平臺(tái)的人都具備的操作權(quán)限項(xiàng)目。教學(xué)管理板塊是平臺(tái)內(nèi)的重要板塊，用戶在平臺(tái)點(diǎn)擊進(jìn)入教學(xué)管理頁面后，進(jìn)行相應(yīng)的課程管理，各個(gè)子板塊還涵蓋不同功能。用戶信息管理板塊可以對(duì)平臺(tái)內(nèi)的用戶進(jìn)行統(tǒng)一管理，完成平臺(tái)運(yùn)維任務(wù)。僅有在平臺(tái)管理員賬戶登錄后，才能從平臺(tái)主頁面點(diǎn)擊進(jìn)入用戶管理頁面，完成用戶管理，譬如用戶添加、挑選指定用戶、修改權(quán)限等。

數(shù)據(jù)訪問層是訪問文件與數(shù)據(jù)庫的入口，可以被業(yè)務(wù)邏輯層調(diào)用，完成對(duì)鋼琴即興伴奏資源數(shù)據(jù)表的查詢、插入、更新與刪除等功能。

1.2 平臺(tái)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

鋼琴即興伴奏平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)涵蓋兩方面：校園內(nèi)部局域網(wǎng)建設(shè)與針對(duì)校外教師與學(xué)生的廣域網(wǎng)建設(shè)，具體如圖2所示。

圖2 平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

局域網(wǎng)中，訪問鋼琴即興伴奏平臺(tái)能夠完成鋼琴教學(xué)、查詢與播放教學(xué)曲目、人員管理等。校園內(nèi)的師生在線訪問平臺(tái)實(shí)時(shí)作業(yè)上傳、伴奏下載、在線互動(dòng)等。與此同時(shí)，身處校外的師生也能利用網(wǎng)絡(luò)訪問平臺(tái)，完成和校內(nèi)用戶同樣的訪問操作。

2 基于Logic Pro的教學(xué)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

Logic Pro軟件作為蘋果開發(fā)制作的專業(yè)音樂軟件，在融入教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮二者數(shù)據(jù)傳輸速度的兼容性。為確保所建平臺(tái)教學(xué)資源上傳及時(shí)性與可靠性，引入Logic Pro軟件，設(shè)計(jì)基于突發(fā)傳輸?shù)匿撉偌磁d伴奏資源上傳速率優(yōu)化方法。

2.1 結(jié)合香農(nóng)理論優(yōu)化信道傳輸

假設(shè)xt是平臺(tái)內(nèi)的發(fā)送信號(hào)，ht是平臺(tái)沖擊響應(yīng)函數(shù)，nt表示平均值是0、方差是1的高斯噪聲信號(hào)，將平臺(tái)接收信號(hào)記作：

yt=htxt+nt

(1)

按照香農(nóng)理論[8]，平臺(tái)信道容量為

C=lg1+ρv

(2)

式中，v表示傳輸時(shí)段內(nèi)信號(hào)功率均值，ρ為信道增益。

如果資源上傳端能準(zhǔn)確得到ρ的量化值，平臺(tái)會(huì)將ρ分割成K個(gè)量化級(jí)別，將量范圍定義為Ωi。依次設(shè)定si、vi為量化范圍i的有效傳輸時(shí)間與功率，則傳輸速率均值表達(dá)式為

ER=∑Ki-1silg1+ρvi

(3)

2.2 平衡分配功率

鋼琴即興伴奏資源上傳速率優(yōu)化包含短期功率約束與長期功率約束兩部分[9]。短期功率約束中，若處于時(shí)段T，總功率是Pc，功率損耗P

sivi+σ=Pc?i∈1,2,…,K

(4)

為了得到最佳集合ρi，推算ER對(duì)ρi的偏導(dǎo)數(shù)，同時(shí)讓導(dǎo)數(shù)為0，明確Fρi+1的最佳數(shù)值：

Fρi+1=Fρi+

fρisilg1+viρi-si-1lg1+vi-1ρi-1?si?ρilg1+viρi+si??ρilg1+viρi

(5)

長期功率約束要明確ρi與vi。忽略功率狀況，將長期功率約束轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)子優(yōu)化問題。假設(shè)vi處于已知的任意集合，找出一個(gè)局部最佳量化邊界集合ρi，利用注水方法[10]通過邊界集合ρi獲得vi的局部最佳功率分配值。在考慮計(jì)算功率前提下，運(yùn)用交替最小化方法明確資源輸入端功率表與計(jì)算功率約束下的運(yùn)算方案。

全局資源傳輸時(shí)段功率損耗有限，僅需平均功率約束滿足條件即可。若某部分量化范圍功率損耗高于約束功率Pc，得到如下公式：

∑Ki-1siPi≤Pc

(6)

Pi=sivi+σ,vi>0

0,vi=0

(7)

其中，Pi表示分配至量化范圍Ωi的功率。

使用β代表突發(fā)傳輸量化范圍的全部指標(biāo)集合，則目標(biāo)函數(shù)為

maxρi,vi=∑i∈βsilg1+ρivi+∑i∈βclg[1+ρi(Pi-σ)]

(8)

這時(shí)功率約束條件為

∑i∈βsivi+σ+∑i∈βcPi≤Pc

(9)

設(shè)定λ0與λi當(dāng)作非負(fù)拉格朗日乘子，這時(shí)目標(biāo)函數(shù)Q的表達(dá)式為

Q=∑i∈βsilg1+ρivi+∑i∈βclg[1+ρi(Pi-σ)]+λ0Pc-∑i∈βsi(vi+σ)-∑i∈βcPi+∑Ki-1λiP-0i

(10)

在集合β與βc內(nèi)對(duì)式(10)進(jìn)行偏導(dǎo)求解，若i∈β，得到：

?Q?Pi=?si?P-λ0+λi+c-λ0+λi

(11)

如果i∈βc時(shí)，得到：

?Q?Pi=gi1+giPi-σ-λ0+λi

(12)

針對(duì)鋼琴即興伴奏教學(xué)平臺(tái)內(nèi)的突發(fā)傳輸范圍，為排除對(duì)偶間隙，Pi值一定要等于0，預(yù)防分配功率不均現(xiàn)象所導(dǎo)致的穩(wěn)定性較差的問題，為實(shí)現(xiàn)教學(xué)平臺(tái)的長期穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所建平臺(tái)實(shí)用性，分別對(duì)平臺(tái)的功能與性能進(jìn)行仿真測(cè)試。

3.1 平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試

通過不同的功能測(cè)試驗(yàn)證所設(shè)計(jì)平臺(tái)的穩(wěn)定性，功能測(cè)試即為使用測(cè)試用例來驗(yàn)證平臺(tái)功能。以伴奏信息管理與教學(xué)管理為例，對(duì)兩個(gè)板塊實(shí)施功能測(cè)驗(yàn)，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 伴奏信息管理功能測(cè)驗(yàn)表

表2 教學(xué)管理板塊功能測(cè)驗(yàn)表

通過表1與表2的功能測(cè)試可以看到，平臺(tái)數(shù)據(jù)功能操作過程中，客戶端具備相對(duì)完備的校驗(yàn)動(dòng)作，不用經(jīng)過服務(wù)端，在客戶端就能完成可靠的信息類別校準(zhǔn)，防止臟數(shù)據(jù)的輸入，確保平臺(tái)教學(xué)資源質(zhì)量，并在輸入完整鋼琴即興伴奏信息后，可迅速保存至數(shù)據(jù)庫內(nèi)，測(cè)試結(jié)果滿足期望目標(biāo)。

3.2 平臺(tái)響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

系統(tǒng)性能使用Loadrunner 9.5完成性能仿真實(shí)驗(yàn)，利用在300并發(fā)虛擬用戶同時(shí)進(jìn)行查詢操作，對(duì)平臺(tái)響應(yīng)時(shí)間與吞吐量進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。平臺(tái)響應(yīng)時(shí)間仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 平臺(tái)響應(yīng)時(shí)間仿真結(jié)果

從圖3可知，平臺(tái)在300并發(fā)虛擬用戶情況下，其響應(yīng)時(shí)間均值是0.384 s，最高響應(yīng)時(shí)間為2.354 s，最低響應(yīng)時(shí)間是0.301 s。通常狀態(tài)下，300并發(fā)用戶訪問時(shí)，5 s之內(nèi)就能符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，而本文平臺(tái)可以在1 s之內(nèi)完成運(yùn)行性能需求，表明了所建平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)越性。

3.3 吞吐量測(cè)試

平臺(tái)吞吐量仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 平臺(tái)吞吐量仿真結(jié)果

根據(jù)圖4可以看出，平臺(tái)在300并發(fā)用戶情況下，最高吞吐量是10 896.542字節(jié)/秒，最低吞吐量是8023字節(jié)/秒。所得結(jié)論完全符合預(yù)期平臺(tái)性能需要，可以保障鋼琴即興伴奏教學(xué)平臺(tái)的高效運(yùn)行。

4 總結(jié)

為提高鋼琴即興伴奏教學(xué)平臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定性，完善網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)教學(xué)質(zhì)量，設(shè)計(jì)了基于Logic Pro軟件的鋼琴即興伴奏教學(xué)平臺(tái)。采用瀏覽器/服務(wù)器模式結(jié)構(gòu)，構(gòu)建教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，運(yùn)用Logic Pro軟件，結(jié)合香農(nóng)理論，通過優(yōu)化信道傳輸，平衡分配功率，打造出高質(zhì)量鋼琴即興伴奏教學(xué)資源，為學(xué)生建立一個(gè)良好的教學(xué)平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)教學(xué)平臺(tái)的長期穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。